基于光电池的光强度测试仪

1、沈阳航空航天大学课程设计论文 基于光电池的光强度测试仪基于光电池的光强度测试仪的设计 沈阳航空航天大学自动化学院摘要：本次课程设计主要是通过对LabVIEW软件的使用和调试，设计一个基于光电池的光强度测试仪，以此来实现对光强度的测量和显示。设计电路的关键是数据采集程序，为了解决数据采集的问题，采用了CSY-G型光电传感器实验仪来实现的。它先将接收到的不同强度的光转换成不同的电压值，再由采集到的电压值和对应的光强值写入一个二元一次方程y=a*x*x+b*x+c，同时由BNC16S型多功能接口盒将采集到的光强度值进行数据处理，当光强度值超出设定的阈值时，报警电路产生提示。该设计应用范围较广，原理简

2、单，使用方便，测量准确度较高。关键字：光电传感器，LabVIEW，超值报警0. 前言虚拟仪器技术是基于计算机的仪器与测量技术。与传统仪器技术不同，虚拟仪器技术指在包含数据采集设备的计算机平台上，根据需求可以高效率的构建起形形色色的测量系统。对大多数用户而言，重要的工作变成了软件设计。在虚拟仪器系统中，信号的获取与采集由以计算机为核心的硬件平台来完成，在这一平台上，调用不同功能的软件可构成不同功能的虚拟仪器，软件是根据不同的信号分析与处理技术编制的。时至今日，信号的分析与处理方法很多，在设计虚拟仪器时，需要根据仪器的功能要求和所处理信号的实际情况选择合适的分析和处理方法。信号分析与处理要求所得信

3、号的特征值，如峰值、有效值、均值、方差、频谱、相关函数、概率密度函数等。若用硬件电路来实现，其电路既复杂又昂贵，甚至不易实现，然而用软件编程的方式是很容易实现的。这也是虚拟仪器比传统仪器具有优势的所在。光电传感器是利用光敏元件将光信号转换成电信号的一种传感器。它由于具有精度高，反应快，性能可靠，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小，已获得了广泛应用。例如：在我们日常生活中常见的光控大门，食品业包装充填物高度检测等。本文以虚拟仪器技术为开发平台，采用光电传感器进行数据采集，应用现代信号分析处理方法建立电压与光强度分析处理系统，对光强度的测量有很好的应用。1. 总体

4、方案设计本文设计主要利用LabVIEW的数据采集系统和方便的函数信号处理能力，实现利用光电传感器进行光强度的测量，以及在前面板显示光强度值与电压值的关系曲线图。首先由光电传感器产生相应的电压信号，然后利用LabVIEW的数据采集系统测得所需数据即光强度与电压的关系。其中电压信号又通过中级模入VI采集进来以便进行测量和显示。然后通过一定的数值转换关系，便可测得课程设计所要求的光强度。整体设计流程图如图1所示。光源光电传感器数据采集计算机Labview软件操作系统超值报警 图 1 原理框图1.1程序流程图整个电路工作原理是利用光电传感器借助光电元件将光信号转换成电信号，先将光源强度调到设定的值，再

5、将光源对准光电池，即显示出对应的电压值。再通过BNC16S数据采集卡，将采集得到的数据代入公式y=a*x*x+b*x+c中，得到不同电压值对应的光强度值，并判断是否超出设定阈值，如果超出就报警。整体流程图如图2所示。图2 整体程序流程图2. 硬件设计2.1光电传感器工作原理光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，其原理图由图3所示。它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极

6、管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。图3光电传感器原理图2.2硬件电路设计框图硬件电路设计的总体框图如图4所示。因为本实验用到的是辐射式光电传感器，其工作原理将接受到的光信号转换成电信号，然后送到采集卡的输入通道，将模拟信号转化成为数字信号，送入计算机。光源光电传感器电压显示 图4 硬件电路图3. 软件设计软件部分所实现的主要功能是数据采集，数据处理，显示电压值，阈值报警。3.1信号采集模块的设计3.1.1数据采集系统的设计原理硬件连接：BNC16S型多功能接口盒各部分的功能。多功能接口盒具有16路单端/8路差分模拟输入

7、，可以测量三种模拟输入信号：差分浮地信号（DIFF_FS）、差分有参考地信号（DIFF_GS）、单端有参考地信号（SINGLE_RSE）。多功能接口盒的信号发生器可以产生正弦波、方波、三角波以及TLL信号，并可通过旋钮调节信号的光强度值。该多功能接口盒还具有2路模拟输出。在关机状态，将泛华BNC16S型多功能接口盒与PC机上的数据采集卡联结。如果连接正常，则多功能接口盒上的红色电源指示灯处于点亮状态。将接口盒的信号发生器SOURCE端口与某一模拟输入通道相连。要将数据采集到计算机里，并对其进行合理的组织，需要构建一个完整的数据采集系统。它包括：传感器和变换器、信号调理设备、数据采集卡、驱动程序

8、、硬件配置管理软件、应用软件和计算机等。使用不同的传感器和变换器可以测量各种不同的物理量，并将它们转化成电信号；信号调理设备可对采集到的信号进行加工，使它们适合数据采集卡等设备的需求；计算机通过数据采集卡等获得测量数据；软件则控制着整个测量系统，它告诉采集设备什么时候从哪个通道获取设备，同时还对原始数据作分析处理，并将最后的结果表示成容易理解的方式。3.1.2数据采集过程的设计（1）打开程序框图编辑窗口。（2） 放置中级模入VI。在All Functons>>NI Measurements >> Data Acquisition >> Analog Inpu

9、t中找到所需的VI。（3）函数的设置AI Config VI: 对指定的通道设置模拟输入操作，包括硬件、计算机内buffer的分配。AI Start VI: 启动带缓冲的模拟输入操作。它控制数据采集速率，采集点的数目，及使用任何硬件触发的选择。它的两个重要输入是：Scan rate(scan/sec)：对每个通道采集的每秒扫描次数。Number of scans to acquire：对通道列表的扫描次数。AI Read VI: 是从被AI Config分配的缓冲读取数据。它能够控制由缓冲读取的点数，读取数据在缓冲中的位置，以及是否返回二进制数或标度的电压数。它的输出是一个二维数组，其中每一列

10、数据对应于通道列表中的一个通道。AI Clear VI: 清屏函数,清除模入操作、计算机中分配的缓冲、释放所有DAQ卡的资源。（4） 为各VI相应的端口建立输入输出控件。选择需要建立输入输出控件的端口，在右键的快捷菜单中，执行Creat>>ConstantControlIndicator操作。（5）连线。完成编辑的程序框图。（6）参数设置：device：设备号，在NI采集设置工具中设定。该参数告诉用户使用什么卡，它可以使采集VI本身独立于卡的类型。本课设选用BNC16S数据采集卡，所以设定为1。Channels：通道,用于指定数据样本的信号源。选用的是0号通道设定为0。Scan r

11、ate：指每个通道的扫描速率，即采样频率。采样频率设置默认1000Hz0.Number of scans to read：采样点数，本实验设置为-1。图5 数据采集功能框图数据采集系统的程序设计是由中级模入VI来实现。由AI Config VI指定使用的采集卡和通道，并指定获取的样本数，AI Start VI启动扫描，并将得到的数据放入缓存，然后由AI Read VI从计算机的缓存中读取频率，While循环可以实现连续采集的功能。3.2曲线拟合子程序在该程序中，首先在前面板中建立电压照度关系表，将光电传感器实验采集到的电压值与相应的照度值输入到表中，输出一个由电压元素和照度元素组成的二维数组。

12、这时表中的元素是以字符串形式输出的，然后要经过（Fract/Exp String To Number .vi）将输出字符串形式的数组转化成为浮点型数组。其次通过（index Array.vi）将Table表输出的二维数组分离为两个一维数组，分别代表一组电压输入和一组照度输入，然后再由（General Polynomial Fit.vi） 进行曲线拟合，输出的y值与表征电压输入的x值经（Bundle.vi）打包成簇后接入XY示波器。为了方便观察比较拟合前后曲线的变化情况，将拟合前后的两组x、y值由Bundle.vi打包成簇，然后把两个这样的簇作为元素通过Build Array.vi建立数组，即每

13、个数组元素对应一条曲线。然后接入XY示波器，将拟合前后的电压照度关系曲线同时显示在XY示波器中。曲线拟合子程序框图如图6所示。图6 曲线拟合子程序框图3.3公式生成子程序在该程序中，将电压照度关系表的输出由字符串形式转化为浮点型后，经indexArray.vi分离为两个一维数组，输入到General Polynomial Fit.vi 进行曲线拟合。一般来说，曲线阶数越高，逼近实际测量值的精度越高，但阶数的增高将使计算繁冗，编程复杂，计算时间也迅速增加，因此选取拟合曲线阶数时只要将误差控制到一定范围就可以了，本课设拟合曲线阶数定为2阶。General Polynomial Fit.vi的Pol

14、ynomial Fit Coefficients端子将输出一个以拟合曲线y=a*x*x+b*x+c各阶系数为元素组成的一维数组，提取数组中各个系数元素，根据拟合曲线函数表达式：y=a*x*x+b*x+c，进行乘、加运算，并将结果输入到照度显示控件中显示。公式生成子程序框图如图7所示。图7 公式生成子程序框图3.4超值报警模块的设计本课设要求照度显示为XXX.XLx，范围为01000Lx。可设定阈值，并具有超值报警功能，此主要通过算术比较算法实现，利用较函数 和一个布尔型的指示灯。如图8所示。图8 比较报警程序框图4. 调试及结果分析4.1 硬件电路的调试CSY-G型光电传感器实验仪主要由发光管

15、、光敏二极管、测量电路、仪表显示四部分组成。已调节照度的光束由发光管发射到光敏二极管上，产生光电流，经负载转化为电压信号并在电压表上显示出来。光电传感器结构简单，便于操作，但试验内容易受外界条件影响，测量结果变化较大，需要耐心调试，多次采集，才能得到理想的结果。实验测量结果如表1所示:表1 数据测量结果照度（Lx）01002003004005006007008009001000电压（V）00.0450.0780.1230.1680.200.2320.2540.260.2760.2984.2软件程序的调试软件调试是软件开发过程中一项艰巨的脑力劳动，是程序在进行了成功的测试之后才开始的工作。调试的

16、目的是确定错误的原因和位置，并改正错误，因此调试也叫做改错。具体地说，调试过程由两个步骤组成，它从表示程序中存在错误的某迹象开始，首先确定错误的准确位置，也就是找出哪个模块或哪个语句引起的错误。然后仔细研究推断确定问题的原因，并设法改正。当用户通过虚拟面板设定好参数，发出测试命令时，虚拟面板控制程序调用相应的模块数据执行动作。采集卡的连接：在关机状态下，将数据采集卡多功能接口盒与PC机上的数据采集卡连接，当连接正常时，多功能接口盒上的红色电源指示灯处于点亮状态，将接口盒的信号发生器SOURCE端口与断续器式传感器的模拟输入通道相连。据采集部分在整个监测系统中占有重要的地位，采样数据的质量直接影

17、响到后面的处理、分析和显示等功能能否正确实现。此模块主要对设备的采样参数进行设置，包括通道的选择、采样点数、采样间隔、采样频率的设置等。当照度显示超出设定的阈值时，报警指示灯点亮。5. 结论及进一步设想通过对光电传感器的使用，我明白了光电传感器的特性，得到了线性度较好的数据，电压信号也被稳定的采集进来。充分发挥了LabVIEW方便的数据采集能力和灵活的信息处理功能，得到了整洁美观的前面板，完成了课程设计的要求。 本次课设利用光电传感器和BNC16S型多功能接口盒组成的数据采集部分可以实现数据采集，利用LabVIEW软件可以把繁杂的操作过程转化为简单程序处理。经过调试显示精度较高，测量较为准确，

18、而且具有超值报警功能。在用光电传感器实验仪做实验时，发现存在一定的误差：1.发光管与光电池不可能完全对准；2.发光管的密封不是很好，外界光源会影响光强度的测量值；3.仪器的灵敏度不高，读数时不可能很准确。随着时间的推移，科学技术的发展，我相信光强测试仪的灵敏度将逐渐提高，对于光强度得测量将更加准确，对我们未来的生活将有长远的影响。参考文献1胡立夫 刘利秋.传感技术综合实验指导书.沈阳航空航天大学，20010.92宋琦 徐涛 胡立夫.虚拟仪器技术实验指导书.沈阳航空航天大学，2010.93侯国屏 王坤 叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计，2010.84刘红丽 张菊秀.传感与检测技术，2007.6附录1 元器件清单 元件名称型号数量光电传感器实验仪200807291微型电子计算机200210151数据采集系统200403891导线若干附录2 前面板显示图附录3 软件原理图课设体会在老师的帮助下，我按照任务书的要求完成了此次课程设计，通过这次课设使我受益匪浅。此次课设不但让我对上学期虚拟仪器的知识进行了一次复习，并对LabVIEW有了进一步的理解，LabVI